在高速、高温环境下，如何对发光黑色橡胶胎面进行0.1mm级非接触式在线检测与环路控制？【轮胎制造】

1. 基于发光黑色橡胶的基本结构与技术要求

在轮胎生产中，胎面橡胶是轮胎最外层直接接触路面的部分，它的性能直接决定了轮胎的抓地力、耐磨性、滚动阻力等关键指标。想象一下，胎面橡胶就像跑鞋的鞋底，它需要承受巨大的摩擦和冲击，同时还要在各种天气条件下提供稳定的性能。因此，胎面的尺寸、形状、物理化学特性必须高度一致和精确。

“发光黑色橡胶”这种材料，意味着它除了常规的黑色特性（通常由炭黑赋予）外，还添加了特殊成分使其在特定条件下能发出光，这可能旨在提高夜间可视性或指示某些状态。这种发光特性对测量带来了新的挑战，因为它可能影响传统光学测量的光反射或吸收特性。

对于胎面环路控制（Loop Control），核心要求是在生产线上实时监测胎面橡胶的各种参数，并将测量结果反馈给挤出设备或后续工艺，自动调整生产参数，确保产品质量的稳定性和一致性。这就好比我们开车时，不断地观察路况并调整方向盘和油门，以保持车辆行驶在正确的轨道上。具体的关键技术要求包括：

• 尺寸精度和稳定性： 包括胎面的宽度、厚度、轮廓形状等，需要控制在极小的公差范围内。即使是微小的偏差，也可能导致轮胎性能下降甚至安全隐患。

• 材料均匀性： 橡胶配方的各种成分（如聚合物、炭黑、硫化剂以及发光添加剂等）必须均匀分布，否则会影响物理性能和发光效果。

• 表面质量： 不允许有气泡、杂质、划痕等缺陷，这不仅影响外观，更会影响轮胎的耐久性。

• 高速在线测量： 轮胎生产线速度很快，测量系统必须具备足够快的响应速度，才能实现实时反馈和调整。

• 恶劣环境适应性： 生产现场常伴有高温、粉尘、振动等，测量设备需要具备高防护等级和稳定性。

• 非接触式测量： 避免对尚未硫化的柔软橡胶造成损伤或变形。

2. 针对发光黑色橡胶的相关技术标准简介

针对胎面橡胶的质量控制，通常会涉及多个维度的参数监测和评价。这些参数的定义和评价方法是确保产品一致性的基础。

• 厚度与宽度： 这是最基本的几何尺寸参数。通常通过在线连续测量来获取，评价方法是设定一个目标值和允许的上下限公差，任何超出范围的都视为不合格。

• 截面轮廓： 胎面往往具有复杂的几何形状（花纹）。通过扫描截面获取多点数据，与预设的数字模型进行比对，评价其形状的一致性。

• 面密度/单位面积质量： 这反映了橡胶材料在单位面积上的分布量，与厚度和密度密切相关。通过测量X射线或β射线穿透后的衰减量来计算，评价其均匀性。

• 化学成分与混合均匀性： 橡胶配方中的聚合物类型、炭黑含量、硫化剂、增塑剂以及发光添加剂等，它们的比例和分布会影响最终性能。通过光谱分析等方法获取材料的化学指纹，评价其符合配方设计的能力。

• 表面缺陷： 监测胎面表面是否存在异物、气泡、凹凸、边缘不齐、发光不均等肉眼难以察觉的微小缺陷。通过图像识别和特征提取技术进行自动化检测和分类。

• 材料温度： 挤出过程中橡胶的温度对后续加工和最终性能有重要影响。通常采用红外测温等非接触方式进行监控。

这些参数的监测和评价构成了胎面环路控制的基石，能够及时发现并纠正生产过程中的偏差，从而保障轮胎的质量。

3. 实时监测/检测技术方法

在轮胎生产中，针对发光黑色橡胶的特性，有多种非接触式监测技术可以用于实现胎面环路控制。每种技术都有其独特的工作原理、优缺点和适用场景。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光脉冲/相位检测测距技术

这种技术主要用于测量一个点到目标物体的精确距离。它有两种主要实现方式：激光脉冲测距（Time-of-Flight, TOF）和激光相位检测测距（Phase-Shift Ranging）。

工作原理与物理基础：想象一下，我们站在一个山谷里对着对面的山壁大喊一声，然后根据声音返回的“回声”来估算山谷的宽度。激光脉冲测距的原理与之类似，只不过我们用的是光速极快的激光。传感器发射一个激光脉冲，激光碰到被测物体表面后反射回来，传感器接收到反射光，然后精确测量激光从发出到返回所需的时间（t）。由于光速（c）是已知且恒定的，那么就可以通过简单的物理公式计算出距离（D）：D = (c * t) / 2这里的除以2是因为激光走了去和回两趟的路程。

而激光相位检测测距则更像一种巧妙的“时差”测量。它不是直接测量脉冲的飞行时间，而是发射一束经过调制（比如强度周期性变化）的激光。这束激光到达物体表面并反射回来后，其相位会相对于发射时发生一定的滞后。传感器通过比较发射光和接收光的相位差（Δφ），结合调制光的波长（λ_mod），来计算距离：D = (λ_mod * Δφ) / (4π)这种方法通常能在较长的距离上实现更高的精度。

对于发光黑色橡胶这种低反射率的材料，传感器会采用高功率激光源，并配合高灵敏度的接收器和先进的信号处理算法，来确保即使反射信号微弱也能被有效捕捉。

核心性能参数：* 测量范围： 从几厘米到数百米甚至更远，例如0.05米至500米。* 测量速度： 很高，通常可达几十赫兹到数百赫兹，可以实现较快的在线监测。* 精度： 在毫米级别，例如±1毫米。* 分辨率： 通常与精度在一个量级。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量距离远，可以应用于大型生产线或较远的监测点；测量速度快，能够满足生产线对实时性的要求；对于黑色或深色表面有较好的适应性，一些型号还能测量高温物体表面；非接触式，不损伤产品。对于“发光”特性，如果发光波长与测量激光波长不同，或通过滤波技术可以有效抑制干扰。* 缺点： 主要是单点测量，如果需要获取物体轮廓或表面全貌，需要配合扫描装置；其精度在微米级别通常不及激光三角测量。* 成本考量： 相对其他复杂的光学成像系统，单点测距传感器的成本通常更具优势。* 适用场景： 适用于胎面橡胶的定点厚度测量、位置控制、堆垛高度检测等。

3.1.2 激光三角测量技术

工作原理与物理基础：设想你拿着一个手电筒斜着照向一本书，同时从另一个角度用尺子去量手电筒光斑到书边缘的距离。当书的高度变化时，光斑在尺子上的位置也会随之改变。激光三角测量的工作原理与之类似。传感器发射一束激光，以一定的角度照射到被测物体表面，形成一个光斑（点测量）或一条光线（轮廓测量）。光斑的反射光被放置在另一个角度的高精度CMOS图像传感器接收。当被测物体表面距离发生变化时，反射光在图像传感器上的成像位置也会随之移动。通过精确测量这个位置变化，并利用预先建立的三角几何关系，系统就能实时计算出物体表面的精确距离或轮廓。简单来说，如果激光发射器、被测点和接收器形成一个三角形，当被测点位置改变时，三角形的形状会变化，接收器上的光点位置也会随之改变。关键的几何关系可以用简单的三角函数来描述，例如：ΔZ = L * tan(α) - L * tan(β) （简化版，其中ΔZ是高度变化，L是基线长度，α和β是角度）或者更复杂的几何投影公式来计算精确的Z轴距离。

核心性能参数：* 采样速度： 通常很高，可达数千赫兹甚至16kHz。* 测量范围： 相对较短，通常在毫米到几十毫米范围，例如X轴测量范围80mm，Z轴测量范围60mm。* 重复精度： 极高，可达微米级别，例如X轴重复精度2.5µm，Z轴重复精度0.1µm。* 光源： 常采用蓝色半导体激光（如405nm），因为短波长蓝光对黑色橡胶表面的散射影响较小，能提供更稳定的测量结果。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的测量精度和分辨率，能够捕捉微小的尺寸和轮廓变化；可以实现对复杂胎面轮廓的非接触式在线测量；蓝色激光对黑色橡胶有较好的适应性。* 缺点： 测量范围通常较短；对被测物体的表面角度、反射率变化较为敏感；如果“发光”特性在蓝色光谱范围，可能会对测量造成干扰；设备成本相对较高。* 适用场景： 适用于胎面橡胶的精确轮廓测量、厚度均匀性检测、沟槽深度和宽度测量等。

3.1.3 X射线透射测量技术

工作原理与物理基础：X射线透射测量系统就好比用一个特殊的“透视眼”来检查胎面橡胶的“内在”。它通过发射X射线穿透移动的橡胶胎面，并测量透射过材料后的X射线强度衰减程度。由于材料的厚度和密度与X射线的衰减程度呈正相关，也就是说，越厚或越密的材料，X射线穿透后强度衰减得越多。系统就是根据这种衰减量，通过预设的校准曲线，高精度地计算出橡胶胎面的厚度或面密度（单位面积上的质量）。物理原理基于Lambert-Beer定律的X射线衰减公式：I = I0 * exp(-μρx)其中，I是透射X射线强度，I0是入射X射线强度，μ是材料的质量衰减系数，ρ是材料密度，x是材料厚度。通过测量I和I0，已知μ和ρ，即可计算出x；或者测量I和I0，已知μ，计算出ρx（面密度）。

核心性能参数：* 测量范围： 主要测量面密度，范围广，例如0.1 g/m² 至 10000 g/m²。* 测量精度： 极高，通常优于0.1%，甚至可达±0.05%至±0.1%的设定值。* 分辨率： 精细，例如0.01 g/m²。* 扫描宽度： 可定制，适应不同宽度的胎面。

技术方案的优缺点：* 优点： 穿透性测量，不受橡胶颜色、表面特性（包括“发光”特性）或表面缺陷的影响，能提供真实的内部厚度或面密度数据；测量精度高，稳定性好，响应快速，坚固耐用，非常适用于恶劣的工业环境。* 缺点： 设备成本高昂；存在辐射，需要严格的安全防护措施；不能直接测量表面轮廓和外部尺寸。* 成本考量： 通常是所有方案中投入最高的。* 适用场景： 主要用于确保胎面橡胶材料的厚度均匀性、面密度一致性，是确保轮胎质量的关键控制环节。

3.1.4 机器视觉与图像处理技术

工作原理与物理基础：机器视觉系统就像生产线上的一双“火眼金睛”。它利用高分辨率工业相机结合特定光源（如LED或激光）对高速移动的黑色胎面橡胶进行连续图像采集。这些图像被传输到计算机，通过先进的图像处理算法进行实时分析。算法可以识别图像中的各种特征，例如：* 尺寸测量： 通过校准后的像素与实际尺寸转换关系，精确测量胎面的宽度、边缘完整性、花纹间距等几何尺寸。* 缺陷检测： 识别图像中与正常胎面纹理不符的区域，如气泡、夹杂物、划痕、压痕、异物、颜色不均或发光异常等。图像处理的物理基础是光学成像和数字图像分析，通过边缘检测、特征提取、模式识别等算法实现。

核心性能参数：* 检测速度： 与生产线速度同步，可达100米/分钟以上。* 缺陷检测精度： 可检测小至0.1毫米的表面缺陷。* 图像分辨率： 高，通常可达5百万像素或更高。* 测量精度： 几何尺寸测量精度可达±0.1毫米。* 光源： 可配置LED或激光光源，针对黑色橡胶优化。

技术方案的优缺点：* 优点： 功能全面，既能进行几何尺寸测量，又能进行表面缺陷检测；非接触、非破坏性；具有高度灵活性和可定制性，能够适应不同胎面花纹和生产线布局；对于“发光黑色橡胶”，如果发光特性是需要检测的指标（如发光均匀性），机器视觉可以有效捕捉。* 缺点： 对环境光线变化敏感，需要稳定可靠的光源和遮光措施；系统初期配置和算法开发可能较为复杂；对于材料内部的缺陷或成分均匀性无法直接检测。* 成本考量： 系统成本中等偏高，取决于相机的数量、分辨率和软件算法的复杂性。* 适用场景： 广泛用于胎面表面质量检查、尺寸一致性监控、花纹完整性检测、发光均匀性评估等。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家主流厂商在轮胎生产环路控制中的非接触测量方案。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光三角测量技术。

  • 核心参数： 其LJ-X8000系列激光轮廓测量仪提供高达16kHz的采样速度，X轴测量范围可达80mm，Z轴测量范围60mm，重复精度在X轴和Z轴分别可达2.5µm和0.1µm。它使用405nm蓝色半导体激光。

  • 独特优势： 日本基恩士以其高可靠性、高精度和易用性著称。蓝色激光技术能有效减少黑色橡胶表面的散射影响，提供更稳定的测量结果，适用于实时捕捉复杂的橡胶胎面轮廓。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光脉冲/相位检测测距技术。

  • 核心参数： 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器测量范围可达0.05至500米，测量速度高达250Hz，精度为±1mm。该系列产品可以在深色表面进行测量，部分型号能测量最高1550℃的高温物体表面距离，具有IP65防护等级和-40℃至+60℃的扩展温度范围。

  • 独特优势： 英国真尚有LCJ系列以其长距离测量能力、高测量速度和在恶劣环境下的适应性而突出。该产品适用于需要精确点距离测量而非完整轮廓的场景，例如胎面卷径控制、挤出机与接收台间的距离保持等。此外，该系列传感器提供多种串行接口和模拟输出，便于集成到现有控制系统。

• 德国罗彻尔

  • 采用技术： X射线透射测量技术。

  • 核心参数： 德国罗彻尔的EOX-05 X射线测量系统能够测量0.1 g/m²至10000 g/m²的面密度，测量精度优于0.1%，分辨率0.01 g/m²。

  • 独特优势： 德国罗彻尔的X射线系统在薄膜和板材在线测量方面拥有丰富经验。其方案能提供不受橡胶颜色、表面特性影响的高精度厚度和面密度测量，对于确保胎面材料的均匀性和一致性至关重要。

• 芬兰雷迪埃

  • 采用技术： 机器视觉与图像处理技术。

  • 核心参数： 芬兰雷迪埃的Raycon胎面橡胶缺陷和尺寸检查系统检测速度可与生产线同步，能检测小至0.1毫米的表面缺陷，几何尺寸测量精度可达±0.1毫米。

  • 独特优势： 芬兰雷迪埃专注于轮胎行业的质量控制，其机器视觉系统能够快速、可靠地进行非接触式在线缺陷检测和几何尺寸测量，有效提升产品合格率和生产效率。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的非接触式测距方案，就像为汽车挑选合适的轮胎，需要根据具体路况和需求来决定。在轮胎生产中，以下几个技术指标尤为关键：

• 精度（Accuracy）和重复精度（Repeatability）：

  • 实际意义： 精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，重复精度是指多次测量同一目标时结果的一致性。想象一下，一个射击运动员，如果他的子弹都落在靶心附近，说明他精度高；如果所有子弹都落在靶心的同一个小点上，即使不是靶心，也说明他重复精度高。

  • 影响： 高精度和高重复精度是实现环路控制的基础。如果测量不准或不稳定，控制系统将无法正确判断生产偏差，甚至可能误调整，导致废品率升高。

  • 选型建议： 对于胎面厚度、宽度和轮廓等关键尺寸，通常需要毫米级甚至微米级的精度（例如，胎面厚度公差可能只有±0.1毫米）。点测距可能需要毫米级，而轮廓测量则需要微米级。

• 测量范围（Measurement Range）：

  • 实际意义： 传感器能够有效测量的最短和最远距离。

  • 影响： 范围不足会导致无法覆盖整个测量区域，或需要更频繁地移动传感器；范围过大可能牺牲精度。

  • 选型建议： 根据传感器与被测胎面之间的实际安装距离来选择。例如，如果传感器安装在距胎面较远的位置，就需要选择长距离的传感器（如激光脉冲/相位检测测距）；如果需要近距离精细测量轮廓，则选择短距离、高精度的激光三角测量仪。

• 测量速度（Measurement Speed）/采样频率（Sampling Rate）：

  • 实际意义： 传感器每秒能进行多少次测量。

  • 影响： 生产线上的胎面是连续高速移动的。如果测量速度太慢，就无法捕捉到生产过程中的快速变化，导致控制滞后或漏检，就像摄影师的快门速度太慢，无法拍清楚快速移动的物体一样。

  • 选型建议： 生产线速度越快，所需的测量速度就越高。对于高速移动的胎面，通常需要达到数百赫兹到数千赫兹的采样频率，以确保足够的数据点进行有效控制。

• 对目标表面特性的适应性（如颜色、反射率、温度）：

  • 实际意义： 传感器在不同表面条件下工作的能力。

  • 影响： “发光黑色橡胶”本身就是一大挑战。黑色表面反射率低，容易导致激光信号弱；发光特性则可能对光学传感器造成干扰。高温橡胶则会加速传感器老化或影响测量稳定性。

  • 选型建议： 选择对黑色表面有优化设计的传感器（如使用蓝色激光或高功率激光、先进信号处理）。对于“发光”特性，需要评估其发光波长和强度是否会干扰传感器的测量波长，选择具有波长滤波或特殊算法的传感器。如果需要测量高温橡胶，则必须选择具备耐高温能力的传感器及配套冷却措施。

• 环境适应性（Environmental Robustness）：

  • 实际意义： 传感器在恶劣工业环境中（如粉尘、振动、高湿、温度变化）稳定工作的能力。

  • 影响： 轮胎生产环境通常比较恶劣，如果传感器防护等级低，容易损坏或测量不稳定。

  • 选型建议： 至少选择IP65或更高防护等级的传感器。对于高温环境，考虑带冷却套的传感器或更宽工作温度范围的产品。

• 输出接口和数据集成：

  • 实际意义： 传感器如何将测量数据传输给上位机或PLC控制系统。

  • 影响： 兼容性差会导致系统集成困难，增加开发和维护成本。

  • 选型建议： 优先选择提供多种标准工业接口（如RS232、RS485、以太网、Profinet、Modbus TCP等）的传感器，便于与现有控制系统无缝集成。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了先进的测距方案，仍然可能遇到一些挑战，这些挑战如果不及时解决，会直接影响环路控制的效果和废品率。

• 问题一：发光黑色橡胶表面反射率不均或发光干扰

  • 原因与影响： 黑色橡胶本身对激光的反射率就低，如果还带有“发光”特性，可能导致局部区域的反射信号更弱或产生额外的光信号干扰，造成测量数据跳动，精度下降，甚至无法稳定测量。

  • 解决建议：

    • 优化光源和接收器： 选用高功率激光源、高灵敏度接收器，并结合先进的信号处理算法，增强弱信号的捕捉能力。

    • 波长选择和滤波： 针对“发光”特性，选择与发光波长不重叠的测量激光波长，并在接收端加装窄带滤光片，过滤掉干扰光。

    • 多传感器融合： 考虑采用多点或多角度测量，通过数据融合算法提高整体测量的鲁棒性。

• 问题二：生产线振动和环境光干扰

  • 原因与影响： 生产线设备运行产生的振动可能导致传感器与胎面相对位置轻微晃动，环境光源（如车间照明、阳光）可能影响光学传感器的接收信号。这都会引入测量误差，使环路控制不稳定。

  • 解决建议：

    • 结构减振： 传感器安装采用坚固的支架和减振措施，确保其稳定性。

    • 高采样率与数据滤波： 选用高采样率的传感器，通过快速连续采样后进行平均或数字滤波（如移动平均、卡尔曼滤波）来平滑数据，减少振动带来的瞬时误差。

    • 光路遮蔽与调制光源： 对传感器光路进行物理遮蔽，阻挡环境光。同时，许多先进的传感器会采用调制激光和同步检测技术，只响应特定频率的激光信号，有效抑制环境光干扰。

• 问题三：高温对传感器和橡胶特性的影响

  • 原因与影响： 轮胎挤出后的橡胶温度较高，高温可能导致传感器内部电子元件性能下降，影响测量精度和寿命。同时，橡胶在不同温度下其物理特性（如热膨胀）也会有微小变化，影响实际尺寸。

  • 解决建议：

    • 传感器冷却： 对传感器加装冷却外壳（如风冷或水冷），保持传感器工作在适宜温度。

    • 耐高温传感器： 选择设计用于高温环境的传感器。

    • 温度补偿： 在测量软件中加入温度补偿算法。通过实时监测橡胶温度，对测得的几何尺寸进行修正，以消除热膨胀带来的误差。

• 问题四：数据集成与环路控制算法复杂性

  • 原因与影响： 不同的传感器可能使用不同的通信协议和数据格式，与现有的PLC/SCADA系统集成困难。同时，设计一个稳定、响应迅速的闭环控制算法也需要深入的工艺理解和算法开发能力。

  • 解决建议：

    • 标准化接口： 选择支持主流工业通信协议（如以太网/IP、Profinet、Modbus TCP等）的传感器，简化集成。

    • 专业系统集成商： 寻求有经验的系统集成商协助，他们可以帮助处理传感器数据与控制系统的对接，并开发或优化环路控制算法。

    • 分阶段实施： 可以先从开环监测开始，逐步过渡到简单的闭环控制，积累经验后再向更复杂的算法发展。

4. 应用案例分享

• 胎面挤出厚度与宽度控制： 在橡胶挤出机出口，非接触式激光测距传感器或激光轮廓仪实时测量胎面橡胶的厚度和宽度，将数据反馈给挤出机，自动调整螺杆转速和模具间隙，确保胎面尺寸的精确一致性，减少材料浪费。例如，英国真尚有的激光测距传感器可以用于此类场景，通过精确测量挤出机与接收台之间的距离，实现对胎面厚度的有效控制。

• 半成品橡胶片定位与环路张力控制： 在橡胶压延或输送过程中，激光测距传感器用于检测橡胶片的精确位置和输送卷径，确保其在预定路径上稳定运行，并通过张力反馈系统控制收放卷速度，避免拉伸变形或断裂。

• 轮胎部件组装尺寸验证： 在轮胎成型阶段，使用激光轮廓测量仪对胎圈、胎体、胎面等部件进行几何尺寸验证，确保各部件符合装配要求，避免因尺寸偏差导致的废品。

• 硫化前轮胎外径与同心度检测： 在硫化前的生胎阶段，通过多个激光测距传感器对轮胎外径进行多点测量，评估其均匀性和同心度，为后续硫化工艺提供精确的几何数据，提升成品轮胎的质量。